光電子器件-第四章微光像增強器教材課件

1、第四章變像管和微電像增強器 變像管是指把不可見光轉(zhuǎn)換為可見光的器件。如紅外變像管和紫外變像管。如紅外變像管，其核心部分是對紅外光敏感的光電陰極。當紅外光照射到陰極時，產(chǎn)生光電發(fā)射，經(jīng)過電子光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)光譜變換。一、變像管第四章變像管和微電像增強器 變像管是指把 把微弱的可見光圖象增強亮度，變成人眼可以觀察到的圖像。明朗夏天采光良好的室內(nèi)照度大致在100至500lx之間 太陽直射時的地面照度可以達到10萬lx 滿月在天頂時的地面照度大約是0.2lx 夜間無月時的地面照度只有10-4lx數(shù)量級 微光光電成像系統(tǒng)的工作條件就是環(huán)境照度低于10-1lx 微光光電成像系統(tǒng)的核心部分是微光像增強器件 二

2、、微光像增強器 把微弱的可見光圖象增強亮度，變成人眼可以觀察到的圖4.1 像管的基本原理和結(jié)構(gòu) 像管變像管 圖像增強管 是指能夠把不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的真空光電管。 是指能夠把亮度很低的光學(xué)圖象變?yōu)橛凶銐蛄炼葓D象的真空光電管。 像管和攝象管的主要區(qū)別是，像管內(nèi)部沒有掃描機構(gòu)，不能輸出電視信號，對它的使用就跟使用望遠鏡去觀察遠處景物一樣，觀察者必須通過它來直接面對著景物。 image converter tube image intensifier tube 直視型電真空成像器件統(tǒng)稱為像管，它是用于直視成像系統(tǒng)的光電成像器件。4.1 像管的基本原理和結(jié)構(gòu) 像管變像管 圖像增強管 是指 像管

3、成像的物理過程 像管實現(xiàn)圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換和亮度增強是通過三個環(huán)節(jié)來完成的:首先是將接受的微弱的或不可見的輸入輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像；其次是使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強，并聚焦成像；第三是將增強的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像。上述三個環(huán)節(jié)分別由光陰極電子光學(xué)系統(tǒng)熒光屏完成。這三部分共同封在一個高真空的管殼內(nèi)。 像管成像的物理過程 像管實現(xiàn)圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換和亮1 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換 (光陰極) 像管的輸入端面是采用光電發(fā)射材料制成的光敏面。該光敏面接收輻射量子產(chǎn)生電子發(fā)射。所發(fā)射的電子流密度分布正比于人射的輻射通量分布。由此完成輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像的過程。 1 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換 (光陰極)

4、 由于電子發(fā)射需要在發(fā)射表面有法向電場，所以光敏面應(yīng)接以負電位。 這一光敏面通常稱為光陰極。 像管中常用的光陰極有： 對紅外光敏感的銀氧銫紅外光陰極； 對可見光敏感的單堿和多堿光陰極； 對紫外光敏感的紫外光陰極。 由于電子發(fā)射需要在發(fā)射表面有法向電場，所以光光陰極有透射型和反射型兩種。像管中常用的光陰極是透射型的半透明。 必須在高真空中。光陰極進行圖像轉(zhuǎn)換的簡要物理過程是： 當具有能量為 hv的輻射量子入射到半透明的光電發(fā)射體內(nèi)，與體內(nèi)電子產(chǎn)生非彈性碰撞而交換能量。根據(jù)光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知，飽和光電發(fā)射的電子流密度與入射輻射通量密度成正比。因此由入射輻射分布所構(gòu)成的圖像可以通過光陰極變

5、換成由電子流分布所構(gòu)成的圖像。這一圖像稱為電子圖像光陰極有透射型和反射型兩種。根據(jù)光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知根據(jù)光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知，飽和光電發(fā)射的電子流密度與入射輻射通量密度成正比。因此由入射輻射分布所構(gòu)成的圖像可以通過光陰極變換成由電子流分布所構(gòu)成的圖像。這一圖像稱為電子圖像。根據(jù)光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知，飽和光電發(fā)射的電子流密度與2 電子圖像的能量增強(電子透鏡)像管中的電子圖像通過特定的靜電場或電磁復(fù)合場獲得能量增強。由光陰極的光電發(fā)射產(chǎn)生的電子圖像，在剛離開光陰極面時是低速運動的電子流，其初速由愛因斯坦定律所決定。這一低能量的電子圖像在靜電場或電磁復(fù)合場的洛倫茨力作用下

6、得到加速并聚焦到熒光屏上。在到達像面時是高速運動的電子流，能量很大。由此完成了電子圖像的能量增強。 像管中特定設(shè)置的靜電場或電磁復(fù)合場稱之為電子光學(xué)系統(tǒng)。由于它具有聚焦電子圖像的作用，故又被稱之為電子透鏡。 2 電子圖像的能量增強(電子透鏡)像管中的電子圖像通過3 電子圖像的發(fā)光顯示(熒光屏) 像管輸出的是可見光學(xué)圖像。為把電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像，通常采用熒光屏(電子動能轉(zhuǎn)換成光能) 。能將電子動能轉(zhuǎn)換成光能的熒光屏是由發(fā)光材料的微晶顆粒沉積而成的薄層。由于熒光屏的電阻率通常在10E+1010E+14cm，介于絕緣體和半導(dǎo)體之間，因此當它受到高速電子轟擊時，會積累負電荷，使加在熒光屏上的

7、電壓難以提高，為此應(yīng)在熒光屏上蒸鍍一層鋁膜，引走積累的負電荷，而且可防止光反饋到光陰極。 像管中常用的熒光屏材料有多種?；静牧鲜墙饘俚牧蚧?、氧化物或硅酸鹽等晶體。上述材料經(jīng)摻雜后具有受激發(fā)光特性，統(tǒng)稱之為晶態(tài)磷光體。熒光屏是利用摻雜的晶態(tài)磷光體受激發(fā)光的物理過程，將電子圖像轉(zhuǎn)換為可見的光學(xué)圖像。3 電子圖像的發(fā)光顯示(熒光屏) 像管輸出的是可見光學(xué) 像管中常用的熒光屏，不僅應(yīng)該具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且它的輻射光譜要和人眼或與之耦合的其他接收器件的光譜響應(yīng)相一致。實驗證明，熒光屏由高速電子激發(fā)發(fā)光的亮度除與發(fā)光材料的性質(zhì)有關(guān)外，主要取決于入射電子流的密度和加速電壓值。當像管中光電子圖像的加速電

8、壓一定時，熒光屏的發(fā)光亮度正比于入射光電子流的密度。由此可知，像管的熒光屏可以將光電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像。 像管中常用的熒光屏，不僅應(yīng)該具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且它的輻4光學(xué)纖維(1)纖維導(dǎo)光 原理上一頁下一頁返 回4光學(xué)纖維(1)纖維導(dǎo)光 原理上一頁下一頁返 回n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故 n01上一頁下一頁返 回n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故 n0當r =90的臨界狀態(tài)時， Sin i定義為“數(shù)值孔徑”NA（Numerical Aperture） 相對折射率差 arcsinNA是一個臨界角，i arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包

9、層消失；i arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返 回當r =90的臨界狀態(tài)時， Sin i定義為“數(shù)值孔徑(2)(2)光學(xué)纖維面板及性能對于像管中的纖維要求如下:數(shù)值孔徑要大;光透過率要高;分辨率要高;氣密性、化學(xué)穩(wěn)定性、機械加工性能及熱穩(wěn)定性要好(2)(2)光學(xué)纖維面板及性能4.2 像管的主要特性與參數(shù)直視式光電成像器件是為擴展人限視力范圍而發(fā)展起來的，它既能探測到微弱的或人眼不可見的目標輻射信號，又能將目標滿意地成像，使人眼能看到再現(xiàn)的目標圖像。因此像管既是一個輻射探測器，放大器，又是成像器。作為輻射探測器，它應(yīng)具有高的量子效率和信號放大能力，以提供足夠的亮度.

10、 這一性能通常用靈敏度和亮度增益來描述.作為圖像成像器，它必須具有小的圖像幾何失真，適當?shù)膸缀畏糯舐?，盡量小的亮度(能量)擴散能力，以提供足夠的視角和對比。這些性能通常用畸變、放大率、分辨力及調(diào)制傳遞函數(shù)來描述。4.2 像管的主要特性與參數(shù)直視式光電成像器件是為擴展人1 光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)特性是指像管的響應(yīng)能力隨入射波長的變化關(guān)系。像管的光譜響應(yīng)特性實際上是其光陰極的光譜響應(yīng)待性。它決定了像管應(yīng)用的光譜范圍。像管的光譜響應(yīng)特性通常用光譜響應(yīng)率、量子效率、光譜特性曲線和積分響應(yīng)率(簡稱響應(yīng)率)來描述。 光譜響應(yīng)率是像管對單色入射輻射的響應(yīng)能力，以Rj 表示。響應(yīng)率是像管對全色入射輻射的響應(yīng)能力

11、，以R表示。由于在實際應(yīng)用中，像管接收的往往不是單色輻射，而是某一光源的全色輻射，所以響應(yīng)率更具有實際意義。1 光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)特性是指像管的響應(yīng)能力隨入射波長2 增益特性合適的亮度是觀察圖像的必要條件。像管輸出的圖像亮度既與入射圖像的照度有關(guān)，又取決于像管本身對輻射能量的變換與增強的能力?！霸鲆妗本褪怯脕砻枋鱿窆苓@種能力的參數(shù)。（1）. 增益定義像管的增益有：亮度增益、輻射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。（2）. 亮度增益的定義像管的亮度增益定義為：像管在標準光源照射下，熒光屏上的光出射度M與入射到陰極面上的照度Ev之比。即 GL = M / EV2 增益特性合適

12、的亮度是觀察圖像的必要條件。像管輸出的3 背景特性合適的亮度是人眼觀察圖像的必要條件，但像管的輸出亮度并不都是有用的。在輸出端熒光屏的圖像上，除了有用的成像(信號)亮度以外，還存在一種非成像的附加亮度，稱之為背景(或背景亮度)。像管的背景包括無光照射情況下的暗背景和因人射信號的影響而產(chǎn)生的附加背景，稱為信號感生背景(或光致背景) 。 暗背景產(chǎn)生的主要原因是光陰極的熱電子發(fā)射和管內(nèi)顆粒引起的場致發(fā)射。3 背景特性合適的亮度是人眼觀察圖像的必要條件，但像管4 成像特性像管既是一個輻射探測器，又是一個圖像探測器。作為圖像探測器，它應(yīng)該具備好的成像特性。像管光陰極面上接收來自物空間的圖像輻射照度，并由

13、這一輻射照度的值在陰極面上的強度分布構(gòu)成輸入圖像通過像管這個成像器件的轉(zhuǎn)換與增強在熒光屏上產(chǎn)生相應(yīng)的亮度分布，構(gòu)成輸出圖像。像管在完成轉(zhuǎn)換與增強的過程中，由于非理想成像，所以輸出圖像的幾何尺寸、形狀及亮度分布不能準確地再現(xiàn)輸入的幅照度分布，而使圖像像質(zhì)下降。這種像質(zhì)下降主要表現(xiàn)在幾何形狀及亮度分布的失真。通常用放大率、畸變、分辨力和調(diào)制傳遞函數(shù)來描述。4 成像特性像管既是一個輻射探測器，又是一個圖像探測器。（1）放大率 像管的放大率m，指的是像管出射端輸出圖像的線性尺寸 l 與其對應(yīng)的入射端圖像的線性尺寸 l 之比， m = l / l 因此，放大率是表征像管對圖像幾何尺寸放大或縮小能力的一個

14、性能參數(shù)。（1）放大率（2）. 畸變 由于像管常采用靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)，它的邊緣放大率比近軸放大率大，所以在出射端圖像產(chǎn)生枕形畸變。由于物高不同，放大率不同，導(dǎo)致圖像形狀發(fā)生畸形變化，故稱為畸變，并以D表示畸變的程度。式中， mr為距光陰極中心特定半徑處的放大率，m0為中心放大率。（2）. 畸變式中， mr為距光陰極中心特定半徑處的放大（3）分辨力 成像器件能夠?qū)蓚€相隔極近的目標的像，剛剛能分辨清的能力稱為分辨力。 由于像管中電子光學(xué)系統(tǒng)存在著各種象差，再加上熒光屏對入射電子、輸出電子的散射和熒光粉粒度的限制，以及級間耦合元件對光的散射、串光等原因造成亮度分布失真，使輸出圖像的清晰度下降。

15、為評定像管的成像質(zhì)量，最簡單常用的方法是測定其分辯力。（）.調(diào)制傳遞函數(shù) 調(diào)制傳遞函數(shù)是一種可以全面描述成像系統(tǒng)對構(gòu)成圖像的各種細節(jié)（較高空間頻率）的衰減能力的數(shù)學(xué)關(guān)系。（3）分辨力4.4 像管的類型與結(jié)構(gòu)用于直視成像系統(tǒng)的像管，具有多種類型。根據(jù)像管的工作波段可分為：工作于非可見輻射(近紅外、紫外、 X射線、射線)的像管，稱之為變像管；工作于微弱可見光的像管，稱之為像增強器。4.4 像管的類型與結(jié)構(gòu)用于直視成像系統(tǒng)的像管，具有根據(jù)像管的工作方式可分為：連續(xù)工作像管；選通工作像管；變倍工作像管。根據(jù)像管的結(jié)構(gòu)可分為：近貼式像管；倒像式像管；靜電聚焦式像管；電磁復(fù)合聚焦式像管。根據(jù)像管的工作方式

16、可分為：根據(jù)像管的發(fā)展階段可分為：級聯(lián)式的第一代像管；帶微通道板的第二代像管；采用負電子親和勢光陰極的第三代像管。根據(jù)像管的發(fā)展階段可分為： 4.5第一代像增強器 第一代像增強器是以纖維光學(xué)面板作為輸入、輸出窗三級級聯(lián)耦合的像增強器。由于經(jīng)過三級增強，因而第一代管具有很高的增益。 一代管以三級級聯(lián)增強技術(shù)為特征，增益高達幾萬倍，但體積大，重量重 一代管的典型性能為：光靈敏度為300 ，輻射靈敏度(0.85)為20 ， 亮度增益為 ，分辨率為35 。一代管具有增益高、成像清晰的優(yōu)點，但重量大，防強光能力差。 4.5第一代像增強器在實際應(yīng)用中，為了獲得更高的亮度增益，將完全相同的單級像管，用光學(xué)纖

17、維面板進行多級耦合。因此像管的輸入窗和輸出窗都是由光學(xué)纖維面板制成，以便將球面像轉(zhuǎn)換為平面像來完成級間耦合。由于每級像管都成倒像，所以稠合的級數(shù)多取單數(shù)，通常為三級。該像管稱為第一代像增強器。 在實際應(yīng)用中，為了獲得更高的亮度增益，將完全相同的單級像管，4.6 第二代像增強器 第二代像管與第一代像管的根本區(qū)別在于： 它不是用多級級聯(lián)實現(xiàn)光電子倍增，而是采用在單級像管中設(shè)置微通道板來實現(xiàn)電子圖像倍增的。 微通道板是兩維空間的電子倍增器。微通道板是由大量平行堆集的微細單通道電子倍增器組成的薄板。通道孔徑為5一10m。通道內(nèi)壁具有較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。 在微通道板的兩個端面之間施加直流電壓形成電場

18、。入射到通道內(nèi)的電子在電場作用下，碰撞通道內(nèi)壁產(chǎn)生二次電子。這些二次電子在電場力加速下不斷碰撞通道內(nèi)壁，直至由通道的輸出端射出，實現(xiàn)連續(xù)倍增，達到增強電子圖像的作用。 4.6 第二代像增強器 第二代像管與第一代像管的根本利用MCP（微通道板：在電阻管的內(nèi)壁涂上具有二次電子發(fā)射內(nèi)力的物質(zhì)，以實現(xiàn)電荷的倍增）的像管稱為第二代像增強器（二代管）。 銳聚焦類似單級一代管，但在管子的熒光屏前放置一MCP，稱為二代倒像管； 近貼聚焦在光陰極和熒光屏之間雙近貼放置MCP，熒光屏配制在纖維光學(xué)面板或光纖扭像器上，稱為二代近貼管。利用MCP（微通道板：在電阻管的內(nèi)壁涂上具有二次電子發(fā)射內(nèi)力一、近貼式 MCP像管

19、的結(jié)構(gòu) 微通道板近貼于光陰極和熒光屏之間。構(gòu)成兩個近貼空間。因此又稱為雙近貼式像管。由于采用了雙近貼、均勻場，所以圖像無畸變，放大率為 l，不倒像。同樣由于近貼，會出現(xiàn)光陰極、 MCP、熒光屏三者之間的相互影響。 一、近貼式 MCP像管的結(jié)構(gòu) 微通道板近貼于光陰極和熒光屏之二、第2代靜電聚焦倒像式像管的結(jié)構(gòu) 微通道板與光陰極之間采用靜電透鏡，MCP置于電子透鏡的像面位置；像管中還在陽極與MCP之間設(shè)置一個消畸變電極。由微通道板增強后的電子圖像通過近貼聚焦到熒光屏上。由于在熒光屏上所成的像，相對于光陰極上的像來說是倒像，因此稱為倒像管。二、第2代靜電聚焦倒像式像管的結(jié)構(gòu) 微通道板與光陰極之間采用

20、微通道扳的輸出端，由于連續(xù)倍增其電子密度較高、速度快，易于使像管內(nèi)殘余氣體分子電離。如果電離產(chǎn)生的正離子轟擊光陰極將降低像管的壽命。當微通道扳輸入端電位低于陽極電位時，則形成一個防止正離子反饋的位壘。這個位壘一方面阻止正離子另方面又收集微通道板端面上產(chǎn)生的二次電子，從而消除了光暈現(xiàn)象。由于微通道板本身具有高增益、增益可控、電流飽和等待性，因此第二代像管，無論近貼式或倒像式與第一代像管相比，均具有體積小、重量輕、亮度可調(diào)、防強光等優(yōu)點 微通道扳的輸出端，由于連續(xù)倍增其電子密度較高、速度快，易于使光電子器件_第四章微光像增強器教材課件 二代管采用了不同于一代管的增益機構(gòu)-MCP，MCP由上百萬個緊

21、密排列的空芯通道管組成。通道芯徑間距約12，長徑比為4060。通道的內(nèi)壁具有較高的二次電子發(fā)射特性，入射到通道的初始電子在電場作用下使激發(fā)出來的電子依次倍增，從而在輸出端獲得很高的增益。MCP的兩個端面鍍鎳，構(gòu)成輸入和輸出電極。 二代管采用了不同于一代管的增益機構(gòu)-MCP，MCP由上光電子器件_第四章微光像增強器教材課件4.7 第三代像增強器 第三代像增強器是在二代近貼管的基礎(chǔ)上，將三堿光電陰極置換為GaAs NEA光陰極。NEA 光電陰極的制作過程極為復(fù)雜。但光靈敏度性能較一、二代多堿光陰極提高2-3倍。光譜響應(yīng)向紅外延伸，與夜天光輻射光譜更匹配，視距增大1.5-2倍。 第三代像管是采用了負電子親和勢光陰極的像管。 電子親和勢（能）晶格中原子捕獲一個電子成為負離子所釋放出的能量。 4.7 第三代像增強器 第三代像增強器是在二代近貼光電子器件_第四章微光像